книги из ГПНТБ / Дроздов Е.А. Основы построения и функционирования вычислительных систем

Е. А. Д Р О З Д О В , А. П. ПЯТИБРАТОВ

ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ

ИФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ

СИСТЕМ

« э н Е р г и я »

МОСКВА 1973

ПРЕДИСЛОВИЕ

Вычислительные системы как продукт развития циф­ ровой вычислительной техники на современном этапе представляют собой новое мощное средство увеличения скорости обработки больших массивов информации и обеспечивают решение сложных математических задач, а также управление многофункциональными объектами

икомплексами. Знание принципов построения и орга­ низации работы вычислительных систем стало необходи­ мым элементом в работе специалистов по вычислительной технике. Однако рост знаний сдерживается недостаточ­ ным количеством литературы по различным вопросам теории и практики вычислительных систем. Предлагае­ мая читателю книга в определенной степени восполняет этот пробел.

Внастоящей книге излагаются принципы построения

иработы вычислительных систем (ВС). Основное вни­ мание уделяется вопросам построения и организации функционирования вычислительных систем различных типов, особенностям вычислительных машин, включае­ мых в состав систем, техническим средствам, обеспечи­ вающим комплексирование машин и связь систем с ис­ точниками и потребителями информации. Кроме того, рассматриваются необходимые теоретические основы функционирования и оценки качества вычислительных систем, а также основные положения их анализа и син­ теза.

Материал книги распределен по семи главам. В гл. 1 даются принципы построения вычислительных систем, их структуры и классификация. Здесь же приводятся основ­ ные сведения тю математическому обеспечению работы систем, а также по системам защиты памяти, системам прерываний и опережающим устройствам. Следующие две главы посвящены организации функционирования вычислительных систем в режимах пакетной обработки и разделения времени. Большое место в этих главах

3

ВВЕДЕНИЕ

Вычислительная система (ВС) представляет собой совокупность взаимосвязанных и согласованно дейст­ вующих однотипных или неоднотипных электронных вы­ числительных машин (ЭВМ) или процессоров и других

потребностями в быстродействующих и надежных сред­ ствах вычислений и-пределом технических возможностей ЭВМ на данном этапе их развития.

Вычислительные системы представляют собой логи­ ческое следствие эволюции двух общих тенденций, про­ являющихся при создании ЭВМ — стремления к модуль­ ной конструкции и стремления к организации параллель­ ной работы различных устройств машины. Первая тен­ денция связана с повышением надежности и гибкости машины, а вторая — с повышением ее производительно­ сти (под гибкостью машины или системы понимается способность ее перестраивать свою работу в соответст­ вии с изменениями условий эксплуатации, перечня ре­ шаемых задач, 'плотности потоков заявок на решение этих задач, сохраняя при этом некоторый уровень эффек­ тивности; гибкость ВС обеспечивается ее способностью к оперативному перераспределению объема вычислитель­ ной работы между элементами системы). Вычислитель­ ная система обязательно должна быть гибкой, так как условия ее функционирования могут непрерывно изме­ няться, особенно это касается перечня решаемых задач, их содержания, объема перерабатываемой информации.

Вычислительные системы относятся к категории сложных систем.

5

функции, реализуемой системой и направленной на до­ стижение заданной цели функционирования; большое ко­ личество взаимно связанных и взаимодействующих эле­ ментов, составляющих систему; возможность деления системы на подсистемы, цели функционирования кото­ рых подчинены общей цели функционирования всей си­ стемы; иерархическая структура связей подсистем и иерархия критериев качества функционирования всей системы; наличие взаимодействия с внешней средой и функционирование в условиях воздействия случайных факторов; наличие управления в системе и высокая сте­ пень его автоматизации; устойчивость к воздействию внешних и внутренних возмущающих факторов (помех) и наличие самоорганизации; надежность системы в це­ лом, построенной из ненадежных элементов.

Одной из характерных черт сложных систем вообще и вычислительных систем в частности является отсутст­ вие единого критерия эффективности системы и наличие нескольких более или менее равнозначных критериев, каждый из которых может стать главным, превалирую­

требляется ряд терминов. Некоторые из них приводятся ниже.

Процессор (вычислитель, обработчик информации) — основная, в конструктивном отношении обычно автоном­ ная, часть цифровой вычислительной машины (ЦВМ), выполняющая элементарные (базисные) операторы ма­ шинного языка данной машины, т. е. непосредственно осуществляющая преобразование, переработку информа­ ции, реализацию программ решаемых задач.

Элемент системы — объект системы, не подлежащий дальнейшему расчленению на части при данном ее рас­ смотрении [Л. 3]. Предметом изучения является не вну­ тренняя структура элемента, а такие его свойства, ко­ торые определяют взаимодействие элемента с другими элементами системы или влияют на свойства системы в целом.

6

Подсистема — часть системы, представляющая собой совокупность некоторых ее элементов и отличающаяся подчиненностью по своей цели функционирования еди­ ной цели функционирования всей системы.

мации, задаваемый с помощью конечной системы правил. Иначе: алгоритм—-это любая конечная система правил, позволяющая преобразовать исходные выражения, за­ писанные в каком-либо алфавите (например, в алфавите одного из алгоритмических языков), в новые выражения

совость, т. е. пригодность для решения не одной единст­ венной задачи, а целого ряда аналогичных задач; 3) ре­ зультативность— это свойство определять процесс, ко­ торый при любых допустимых исходных данных приво­ дит к получению искомого результата за конечный ин­ тервал времени.

Программа — преобразованная форма алгоритма, за­ писанного либо на языке конкретной машины (машин­ ная программа), либо на каком-нибудь алгоритмическом языке в виде некоторой последовательности базисных правил этого языка (программа на данном алгоритмиче­ ском языке).

Мультипрограммирование — метод или принцип одно­ временного выполнения нескольких программ (или раз­ личных частей одной и той же программы) на одной ЦВМ, при котором не требуется окончания ни одной из этих программ для пуска или продолжения выполнения других программ. При работе ЦВМ в мультипрограм­ мном режиме машина одновременно выполняет разные команды (не являющиеся соседними) одной и той же программы или различных независимых программ, хра­ нящихся в запоминающем устройстве машины. В каж­ дый данный момент времени центральный процессор или устройство ввода-вывода используется при реализации только одной программы из числа программ, совместно выполняемых и находящихся в ОЗУ машины. Цель при­ менения мультипрограммного режима работы ЦВМ — увеличить эффективность использования оборудования машины.

7

Цифровая вычислительная машина называется муль­ типрограммной, если в ней автоматически реализуется выполнение нескольких программ методом мультипро­ граммирования. Для мультипрограммной ВС характер­ но автоматическое распределение реализуемых программ или их частей (сегментов, квантов) между машинами. Вычислительные системы могут комплексироваться как мультипрограммными, так и немультипрограммными (однопрограммными) ЦВМ.

Создание мультипрограммных ВС преследует две цели: 1) свести к минимуму время на выполнение некото­ рого объема вычислительных работ; 2) предоставить максимум удобств абонентам, в частности, освободить их от неудобств и затруднений, связанных с необходи­ мостью совместной и одновременной реализации не­ скольких программ.

Для выполнения этих целей необходимо, чтобы муль­ типрограммные ВС удовлетворяли ряду требований. Основные из них следующие:

1. Возможность использования алгоритмических язы­ ков, обеспечивающих простоту и удобство при подготов­ ке рабочих программ, реализуемых ВС.

2. Независимость работы различных абонентов при подготовке своих программ.

3. Обеспечение защиты программы данного абонен­ та от нежелательного вмешательства со стороны про­ грамм или команд других абонентов.

4. Обеспечение гибкого распределения памяти и вре­ мени ВС. Управление распределением памяти и време­ ни должно производиться исходя из потребностей реали­ зуемых программ, в частности, исходя из заранее уста­ новленной приоритетности для этих программ.

5.Автоматическое управление процессом выполнения различных программ.

6.Обеспечение доступа абонентов к стандартным программам и подпрограммам, необходимым при выпол­ нении своих рабочих программ.

Эффективность — это качество системы, отражающее степень соответствия ее своему назначению, техническое совершенство и экономическую целесообразность. Коли­ чественно эффективность системы оценивается с помо­ щью показателей эффективности, являющихся функция­ ми множества параметров входящих потоков требований

(или параметров реализуемых алгоритмов), множества 8

Параметров системы и ее элементов, множества парамет­ ров, характеризующих влияние внешних факторов на процесс функционирования системы.

Показатель эффективности определяется процессом функционирования системы, он является функционалом от этого процесса. Поскольку ВС функционируют в усло­ виях воздействия случайных факторов, значения функ­ ционалов оказываются случайными величинами. Пока­ затели эффективности — основные числовые характе­ ристики, с помощью которых оценивается качестзо функционирования системы. В определении их частных значений участвуют в той или иной степени все другие

ВС возникает ряд проблемных вопросов, от успешного решения которых зависит эффективность функциониро­ вания системы. Укажем на важнейшие из них.

1. Выбор оптимальной структуры ВС. Обеспечение согласования элементов системы по основным техниче­

задач за минимальное время путем рационального рас­ пределения программ и их частей между машинами си­ стемы. При этом должно быть выполнено условие: за­ траты времени на организацию такой работы должны составлять небольшую долю от общего времени на реа­ лизацию заданных программ с тем, чтобы выигрыш от совместного решения нескольких задач не был ликвиди­ рован этими затратами. В настоящее время МП режим работы ВС обеспечивается аппаратурно-программным путем.

3. Оптимальное распараллеливание (квантование, сегментация) алгоритмов. Это процесс расчленения алгоритма на независимые части (кванты) таким обра­ зом, чтобы при параллельной (одновременной) реализа­ ции полученных квантов на различных машинах ВС об­ щее время на реализацию всего алгоритма было мини­ мальным. Процесс квантования алгоритмов существенно зависит от характеристик машин ВС (объема оператив-

9